PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS EXPLOSIVOS

Las sustancias explosivas mezcladas, unas oxidantes y otros combustibles, en diferente proporción constituyen los explosivos industriales, que al ser iniciadas producen una reacción química que da lugar a la producción de gases a alta temperatura y presión.

Dado que existen explosivos con composiciones específicas colocado en un barreno en forma de cartucho o a granel y con diferente confinamiento (este término hace referencia al espesor de la envuelta del explosivo y a las características mecánicas del material que la forma), lo que supone que sus características son diferentes. Esto da como resultado que para aplicación específica se elija un tipo de explosivo de acuerdo a las necesidades particulares de cada persona.

Las características de carácter práctico que son básicas de un explosivo son las que se señalan a continuación:

- Potencia explosiva.- Poder rompedor.- Velocidad de detonación.- Densidad de encartuchado.- Resistencia al agua.- Calidad de humos- Sensibilidad.- Estabilidad química.

1. POTENCIA EXPLOSIVA

Se puede definir la potencia explosiva como la capacidad que posee el explosivo para quebrantar y proyectar la roca. En realidad, se trata de la energía del mismo aprovechada en la voladura. Esta característica depende fundamentalmente de la composición de explosivo, pudiendo optimizarse con la adecuada técnica de voladura. Existen diferentes métodos para valorar la potencia de un explosivo, siendo los más empleados los siguientes:

- Péndulo Balístico.- Energía Relativa por unidad de peso y de volumen.

El Péndulo Balístico (también conocido como mortero balístico por su nombre en inglés, “ballistic mortar”) es un método que permite medir la potencia de un explosivo por comparación en forma de tanto por ciento en relación a la “goma pura” (que es una mezcla de nitroglicerina (NG) y nitrocelulosa (NC) en determinada proporción) y que se utiliza como patrón y a la que se asigna el valor 100%. Este ensayo es solo práctico para explosivos sensibles al detonador y que sean de pequeño diámetro crítico.

La Energía Relativa por unidad de peso y de volumen es un procedimiento teórico, basado en el valor energético químico del explosivo y especialmente indicado para aquellos que son insensibles al detonador. En este caso la potencia se puede expresar con los siguientes parámetros:

- AWS: Energía absoluta por unidad de peso (cal/g)- ABS: Energía absoluta por unidad de volumen (cal/cm3)

A partir de estos valores se obtiene la Energía Relativa por unidad de Peso (RWS) y por unidad de volumen (RBS) respecto al ANFO (producto al que se le da el valor 100) que viene determinados por las relaciones:

RWS= AWSAWSAnfo

.100

RB S= ABSABS Anfo

.100

Existen otros métodos como la medida de la energía en el ensayo bajo agua o ensayo del cilindro que también dan el valor de la potencia explosiva o energía total del explosivo, aunque, al tratarse de ensayos más complejos, no se usan mucho. El ensayo bajo agua consiste en la detonación de una carga suspendida en el centro de una balsa en la que hay distribuidos un número de sensores conectados a un equipo de registro. Al detonar la carga explosiva, se registran diversos valores en los captadores, pudiendo registrarse diferentes medidas que se corresponden con las burbujas de gases generados en la reacción de detonación. De este modo, se pueden distinguir (figura 44) las siguientes medidas:

1) La burbuja ha llegado a su máximo volumen y empieza a contraerse por efecto de la presión hidrostática.

2) La burbuja estalla generando un pico de presión.3) El proceso se repite hasta que la burbuja llega a la superficie.

Los picos en las medidas pueden interpretarse como que el primer pico da una medida de la presión de detonación y el tiempo entre picos da una medida de la presión de burbuja.

2. PODER ROMPEDOR

El poder rompedor es una característica del explosivo que indica la capacidad de quebrantar la roca debida exclusivamente a la onda de detonación y no al conjunto de la onda de detonación más la presión de los gases (que es medida de potencia).

Su caracterización se realiza mediante el método de Hess, en el que se determina la reducción de altura que provoca la detonación de una cantidad de explosivo definida en un cilindro de plomo. También es un método más adecuado para explosivos sensibles al detonador y de diámetro crítico pequeño.

3. VELOCIDAD DE DETONACIÓN

El proceso de detonación de un explosivo se describe como la propagación de una onda de choque, que viaja a través de la carga explosiva y la velocidad a que se desplaza se le llama Velocidad de Detonación y se expresa en pies/s o en m/s. La siguiente figura describe las etapas de este proceso:

La detonación de una columna continua de explosivo provocará la transformación del explosivo en un gran volumen de gases a elevada temperatura y presión. La velocidad a la que se produce esta transformación se denomina velocidad de detonación, siendo su unidad de medida metros por segundo (m/s). Tiene un rango de 1.500 a 7.500 m/s para los explosivos de uso industrial (Fuente Codelco Chile). Es importante distinguir entre la velocidad de detonación (de la reacción química) y de la onda de choque (transmisión física).

La velocidad de detonación es una característica a tener en cuenta en la elección del explosivo. Se optará por explosivos que detonan lentamente, dando lugar a que su energía se desarrolle de forma progresiva, cuando se vuelen rocas blandas o se requiera una fragmentación gruesa, mientras que se debe escoger explosivos dotados de elevada velocidad de detonación cuando se pretendan fragmentaciones más intensas en rocas duras.

4. DENSIDAD

La densidad es una característica muy importante de los explosivos industriales. Depende del tipo de componentes empleados en su fabricación, ya que cuanto mayor es la densidad del explosivo, mayor es la concentración de carga para un diámetro de barreno determinado.

La densidad relativa de los explosivos está comprendida normalmente entre 0,8 y 1,5. Existen algunos explosivos de menor densidad con aplicaciones muy determinadas y cuyo uso implica una baja energía por unidad de volumen con aplicación en voladuras de recorte o bien en algunas aplicaciones muy concretas en voladuras de escollera.

La densidad es también un parámetro a tener en cuenta en la carga de barrenos con agua en su interior. La carga de explosivos de densidad inferior a 1,1 g/cm en barrenos con agua resulta

muy laboriosa, ya que se hace muy difícil llenar completamente los barrenos dado que los cartuchos tienden a flotar.

5. DIÁMETRO CRÍTICO Y MASA CRÍTICA:

Es el diámetro de una carga cilíndrica por debajo del cual la onda de detonación no se propaga o lo hace a una velocidad muy inferior a la nominal.

Es la mínima cantidad de explosivo que se necesita para que se produzca la detonación por efecto de una llama.

Es por eso que la industria de explosivos ofrece productos, muchas veces con n° de serie, con límites mínimos de diámetro y masa.

6. RESISTENCIA AL AGUA

Se entiende por resistencia al agua a la característica por la cual un explosivo, sin necesidad de cubierta especial, mantiene sus propiedades inalterables durante un periodo de tiempo en contacto con el agua. Las dinamitas gelatinosas, hidrogeles y emulsiones resisten perfectamente cuando son cargados en barrenos con agua y por ello permiten su utilización en barrenos (hueco de taladro, drill hole) con agua en su interior. Sin embargo, los productos pulverulentos y Anfos no resisten al agua por el carácter soluble del nitrato amónico, es decir, se disuelven y pierden sus propiedades,

La resistencia al agua depende del estado de agregación de cada elemento de los explosivos. A modo de ejemplo, el nitrato amónico es muy poco resistente al agua ya que se disuelve en ella con facilidad; sin embargo y, en determinadas condiciones y en forma de emulsión o disolución saturada, es el componente principal de ciertos explosivos caracterizados por su buena resistencia al agua.

En el caso de que la aplicación del explosivo deba realizarse en voladuras bajo agua, se ha de tener en cuenta que el explosivo a utilizar no solo debe ser capaz de soportar la presencia del agua sin disolverse, sino que debe mantener su sensibilidad de iniciación y propagación en estas circunstancias. En estos casos, se deben utilizar explosivos diseñados especialmente para esta finalidad.

Por último, cuando los barrenos presentan simplemente humedad, se pueden emplear prácticamente todos los tipos de explosivos siempre que el tiempo de permanencia de explosivo en el barreno sea breve o bien se realice el enfundado (mayormente una capa de plástico para evitar la humedad) de los mismos si se trata de explosivos a granel como el Anfo. Para mitigar este efecto, se han desarrollado productos específicos, como por ejemplo, el Anfo resistente al agua, que incorpora aditivos que recubren el prill (“perlas” formadas de cristales pseudotetragonales) de nitrato amónico de modo que no se disuelva en agua durante un cierto periodo de tiempo.

7. CALIDAD DE LOS HUMOS

Los humos residuales son el conjunto de productos gaseosos resultantes de la reacción de detonación del explosivo entre los que se hallan vapores nitrosos (NOx), vapor de agua, monóxido de carbono (CO) y anhídrido carbónico (CO2).

Los explosivos industriales poseen una composición tal que las reacciones químicas que se producen generan humos de voladura de limitado contenido en gases nocivos (CO y NOx), lo que indica que se produce una reacción química completa.

No obstante, dado que, en general, las condiciones de aplicación se apartan de las condiciones teóricas, el nivel de gases tóxicos (CO, NOx, etc.) generados en las voladuras es elevado, pudiendo ocasionar molestias e incluso graves intoxicaciones a las personas. Por ello nunca se debe acceder a las inmediaciones de un frente después de una voladura, sin tener la seguridad de que se han ventilado los gases producidos en la misma, bien por medición directa o cálculo.

El color de estos vapores entrega información acerca de la tronadura. Por ejemplo, si el color de los vapores luego de una tronadura es café rojizo o amarillo, puede indicar que la detonación ha sido poco eficiente, posiblemente a causa del deterioro del explosivo por el agua. Esta situación se puede remediar si se utiliza un explosivo con mayor resistencia al agua o si se usa un empaque externo de mejores características.

Problemas de vapores (humos rojos) que indican posible deterioro del explosivo.

En las operaciones de superficie, especialmente en cortes muy profundos o zanjas, la producción de vapores y su retención pueden ser peligrosas para el personal asignado a este trabajo. (FUENTE CODELCO CHILE)

8. TOXICIDAD

Los glicoles nitrados, como la nitroglicerina, son vasodilatadores y causan dolor de cabeza por inhalación absorción cutánea. En contacto con la piel, pueden causar diversas alteraciones como dermatitis, decoloración, etc. Es por ello que la manipulación de los explosivos debe realizarse tomando las debidas precauciones.

9. SENSIBILIDAD

Se puede definir la sensibilidad de un explosivo como el mayor o menor grado de energía de iniciación que hay que trasmitirle para que se produzca su iniciación y, a continuación, su detonación.

Se pueden considerar diferentes aspectos relativos a la sensibilidad de los explosivos; unas afectan a la seguridad en la manipulación (fabricación, transporte y utilización) y otras a su iniciación en la voladura:

- Sensibilidad al detonador.- Sensibilidad a la onda explosiva.- Sensibilidad al choque y al rozamiento.

- SENSIBILIDAD AL DETONADOR

Los explosivos industriales se inician generalmente mediante la detonación de una pequeña carga de explosivo de alta potencia. Este explosivo puede estar ubicado en un detonador, en un cordón detonante, o en un multiplicador, según el procedimiento que se utilice para la iniciación.

Existen explosivos que no son sensibles al detonador. En este caso es habitual provocar su iniciación mediante un multiplicador, consistente en pastilla de explosivo de elevada potencia que es de forma cilíndrica y que si es sensible al detonador.

- SENSIBILIDAD A LA ONDA EXPLOSIVA

Esta característica consiste en la capacidad de transmisión de la detonación entre los cartuchos de explosivo, bien sea colocados en línea y uno a continuación del otro o bien separados entre sí una determinada distancia. Este hecho se denomina “detonación por simpatía”

Los ensayos empleados para determinar esta característica se realizan con cartuchos colocados, bien sobre placa de hierro o al aire; se trata de un ensayo normalizado que sirve para comparar unos productos con otros. Los resultados positivos obtenidos mediante estos ensayos garantizan buenos resultados en las voladuras, ya que la sensibilidad obtenida en estos casos es notablemente menor que la que se da cuando la detonación tiene lugar en el interior de un barreno.

A pesar de esta característica de los explosivos, en la práctica se debe asegurar siempre la detonación de toda la carga en el caso de carga discontinua, es decir, cuando existen intervalos vacíos o inertes entre cartuchos. Para ello es preciso emplear cordón detonante o un sistema de iniciación adecuado a lo largo de toda la carga.

- SENSIBILIDAD AL CHOQUE Y AL ROZAMIENTO

Algunos explosivos industriales se inician cuando son sometidos a acciones de impacto o fricción. Esta característica viene delimitada mediante ensayos, de manera que todos los explosivos soportan sensibilidades mínimas determinadas.

Para establecer la sensibilidad al choque de un explosivo se realizan ensayos normalizados, que consisten en dejar caer un martillo sobre la muestra del explosivo a ensayar para determinar la altura de caída mínima que produce la detonación de la misma.

Asimismo, para determinar la sensibilidad al rozamiento, existe otro ensayo normalizado para valorar la fuerza mínima de rozamiento que es capaz de soportar el explosivo sin que se produzca su detonación.

Estos ensayos tienen relación directa con la mejora de la seguridad en la manipulación industrial de los productos explosivos y con la prevención y reducción de accidentes.

10. ESTABILIDAD QUÍMICA

La estabilidad química de un explosivo es su aptitud para mantenerse químicamente inalterado con el paso del tiempo. La estabilidad está garantizada si las condiciones de almacenamiento y el periodo de almacenamiento son los adecuados y correctos, permitiendo al usuario tener un producto totalmente seguro y fiable para los trabajos de voladura.

Los almacenamientos prolongados y/o en malas condiciones de humedad, temperatura y ventilación, pueden originar la desestabilización del explosivo y, en consecuencia, facilitar su descomposición. En este caso se deben extremar las precauciones para la manipulación del mismo y proceder a su destrucción.

El comportamiento del explosivo ante las altas o bajas temperaturas, por ejemplo, determina las condiciones y tiempo máximo de almacenamiento. Un explosivo muy higroscópico (hygros: mojado, skopein: mirar, es la capacidad de algunas sustancias de absorber humedad del medio circundante) podría absorber y retener humedad hasta el punto de ver afectada su estabilidad química. La nitroglicerina, puede, por esta razón, descomponerse en ácidos nítrico y nitroso, con peligro de detonación espontánea.

11. CALOR DE EXPLOSIÓN

La adición de ciertos elementos a la formulación de algunos explosivos, como por ejemplo el polvo de aluminio, proporciona un incremento notable del calor de reacción.

12. BALANCE DE OXÍGENO

Los elementos que normalmente constituyen la formulación química de un explosivo (nitrógeno, carbono e hidrógeno) teóricamente deben dar como productos de la explosión nitrógeno (gas), dióxido de carbono y vapor de agua.

Hay casos en donde no todo el oxígeno reacciona, por ende no se oxida completamente el carbono ni el hidrogeno, generando de esta manera un calor de explosión más bajo y también dando lugar a la liberación de una cierta cantidad de gases tóxicos (monóxido de carbono u óxidos de nitrógeno), lo que es una cuestión particularmente importante si la voladura se realiza en un espacio subterráneo sin suficiente ventilación.

Al déficit (la falta) o superávit (cuando sobra) de oxígeno que tiene un explosivo en su formulación química, expresado en % sobre el teórico necesario, se le denomina "balance de oxígeno" (B.O.).

Como se ha visto, el B.O. afecta a la potencia del explosivo (calor de explosión) y a la producción de humos tóxicos.